CN102924085A - 碳化硅陶瓷高炉钻头及其制造方法 - Google Patents

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本发明公开了一种碳化硅陶瓷高炉钻头，该钻头由重量百分比为88~99%的碳化硅和1~12%的烧结助剂经混合、球磨、造粒、成型、干燥、修坯、烧成、精整而成。本发明还公开了碳化硅陶瓷高炉钻头的制造方法。本发明得到的碳化硅陶瓷高炉钻头具有致密度高、硬度高、耐磨性好、韧性好、使用温度高、不需要水冷等优点，大大减少了炉前工人的劳动强度，提高了冶炼效率，保证了高炉安全运行，具有广阔的应用前景。

Description

碳化硅陶瓷高炉钻头及其制造方法
技术领域
本发明涉及炼铁中的高炉钻头，尤其是指一种碳化硅陶瓷高炉钻头及其制造方法。
背景技术
炼铁高炉是将铁矿石冶炼为金属铁的重要设备,出铁口位于高炉炉膛最下沿，出铁时用开口机钻通出铁口，按时出尽渣铁是强化高炉冶炼以及炉况顺利和安全生产的可靠保证。
开口机是钻开铁口的设备，连着钻头的钻杆在开口机的作用下把铁口打开，钻头的优劣关系到开铁口的好坏，直接影响出铁、渣量，影响铁口的维护，高炉钻头是高炉生产中的重要设备。
炮泥是堵铁口的耐火材料，由刚玉、碳化硅、焦炭、粘土、焦油等按一定比例调配而成，炮泥封堵铁口后，炉内高温将其由内到外烧结，形成坚硬的壳体，离炉膛越近，烧结硬度越高。随着目前高炉的大型化，冶炼强度越来越高，炮泥使用了更多刚玉、碳化硅等高硬度耐火材料。
高炉钻头就是要在烧结好的炮泥形成的厚厚高温壳体上钻凿，当渣铁未出尽时，渣铁会混入炮泥中形成一种炮泥-铁-渣的混合物，尤其坚硬。
在钻杆旋转与冲击的传动下，钻头受到高温环境的扭压、弯曲、磨擦等支变压力的作用，钻凿越深工作条件越恶劣，尤其是临近高炉铁水时，温度达到1000℃左右，碰到更硬的炮泥层，交变应力增加，钻头硬度、强度下降，头部、侧部磨损很大，极易破坏报废。
目前我国高炉钻头普遍采用碳钢（40#、45#钢为主），少数采用中碳合金钢及钨钴系列的硬质合金。其普遍存在的主要问题是耐磨性差、高温时强度下降、需要水冷而水易破坏铁口通道结构及影响无水炮泥质量等问题。一般需要2个钻头才能钻开铁口，特殊情况下甚至需要4、5个钻头才能钻开，增加了工人的劳动强度及影响高炉生产效率和安全。
碳化硅陶瓷材料具有高温强度大、高温抗氧化性强、耐磨损性能好、热稳定性佳、热膨胀系数低、热导率大、硬度高、抗热震和耐化学腐蚀等优良性能，可以承受金属和有机高分子材料难以承受的苛刻工作环境，在汽车、机械加工、冶金、空间技术、石油化工、能源等领域有着日益广泛的应用，已经成为一种在很多工业领域性能优异的其他材料不可替代的结构陶瓷。
近年来，国内外的研究焦点主要集中在一种新的烧结方法——液相烧结上，即以一定量的单元或多元低共熔氧化物为助烧结剂，在较低温度下实现碳化硅陶瓷的致密化。低温液相烧结同固相烧结相比在结构上得到明显的改善——晶粒细小均匀且成等轴晶状，同时由于界面液相的引入和独特的界面结合弱化，材料的断裂也变为完全的沿晶断裂模式，材料的强度和韧性显著提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种区别于普通碳钢及硬质合金的碳化硅陶瓷高炉钻头及其制造方法，碳化硅陶瓷采用液相烧结法制备而成，本发明有效地解决了普通钻头硬度低、耐磨性差、高温强度低、使用时需水冷等问题。
上述目的是通过以下技术方案实现的：
一种碳化硅陶瓷高炉钻头，该钻头由重量百分比为88~99%的碳化硅和1~12%的烧结助剂经混合、球磨、造粒、成型、干燥、修坯、烧成、精整而成。
优选的，所述的碳化硅为绿碳化硅，其纯度为SiC≥98%，其平均粒径为1~20μm。
优选的，所述的烧结助剂为Al2O3、Y2O3、AlN中的一种或几种，平均粒径为1~20μm。
最佳的，所述的烧结助剂为Al2O3和Y2O3，所述的Al2O3与Y2O3的重量比为1∶1。
下面进一步提供碳化硅陶瓷高炉钻头的制造方法，该方法包括以下步骤：
1）混合：按重量百分比将88~99%的碳化硅和1~12%的烧结助剂混合均匀；
2）球磨：将混合均匀的物料与直径为3~10mm的氧化铝磨球混合，在转速为70~100转/分钟下球磨3~5小时，所述的物料与氧化铝磨球的重量比为0.5~2∶1；
3）造粒：将球磨后的粉料干燥，然后过0.1~1mm筛造粒；
4）成型：按钻头大小称取所造颗粒，倒入钻头磨具中压制成型，制成坯体；
5）干燥：将坯体在70~150℃干燥24~36小时；
6）修坯：用砂纸打磨坯体；
7）烧成：将修整好的坯体升温到1750~2000℃，在真空条件下烧结；
8）精整：烧结好的钻头经打磨后，得到成品。
优选的，所述步骤2）中，在转速为90~100转/分钟下球磨4~5小时。
优选的，所述步骤7）中，烧结压力控制在5~30Mpa，真空度保持在30pa以下。
本发明制成的碳化硅陶瓷高炉钻头具有致密度高、硬度高、耐磨性好、韧性好、使用温度高、不需要水冷等优点，大大减少了炉前工人的劳动强度，提高了冶炼效率，保证了高炉安全运行，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种碳化硅陶瓷高炉钻头，该钻头由重量百分比为88%的碳化硅和12%的烧结助剂经混合、球磨、造粒、成型、干燥、修坯、烧成、精整而成。所述的碳化硅为绿碳化硅，其纯度为SiC=98%，其平均粒径为10μm；所述的烧结助剂为Al2O3+Y2O3，平均粒径为10μm，Al2O3与Y2O3的重量比为1∶1。
其制造方法是：
1）混合：将所述的碳化硅和烧结助剂混合。
2）球磨：配好的物料装入球磨罐里，选用直径3~10mm的氧化铝磨球，按物料与氧化铝磨球的质量比为1：1的比例，调球磨机的转速为100r/min，设置时间为5h。
3）造粒：将球磨后的粉料干燥，然后过0.5mm筛造粒。
4）成型：将造好粒的粉体颗粒按钻头大小称取一定量，倒入钻头磨具中，成型方式采用压力成型，制成坯体。压力为5~30Mpa。保压时间为30秒。
5）干燥：将坯体在70℃干燥36小时。
6）修坯：用砂纸打磨坯体，尤其注意修整钻头素坯的内部及顶部。
7）烧成：将修整好的坯体升温到1750℃烧结，烧结压力控制在5~30Mpa，真空度保持在30pa以下。
8）精整：烧结好的钻头打磨后，得到成品。
实施例2
一种碳化硅陶瓷高炉钻头，该钻头由重量百分比为99%的碳化硅和1%的烧结助剂经混合、球磨、造粒、成型、干燥、修坯、烧成、精整而成。所述碳化硅的纯度为SiC=99%，其平均粒径为20μm；所述的烧结助剂为Al2O3＋Y2O3＋AlN，平均粒径为1μm，Al2O3与Y2O3与AlN的重量比为5∶3：2。
其制造方法是：
1）配料：将所述的碳化硅和烧结助剂混合。
2）球磨：将配好的物料与直径3~10mm的氧化铝磨球混合，物料与氧化铝磨球的重量比为0.5∶1，在90转/分钟的转速下球磨3小时。
3）造粒：将球磨后的粉料干燥，然后过0.1mm筛造粒。
4）成型：将造好粒的粉体颗粒用钻头磨具压制成型，制成坯体。
5）干燥：将坯体在150℃干燥24小时。
6）修坯：用砂纸打磨坯体。
7）烧成：将修整好的坯体升温到2000℃烧结，烧结压力控制在5~30Mpa，真空度保持在30pa以下。
8）精整：烧结好的钻头打磨后，得到成品。
实施例3
一种碳化硅陶瓷高炉钻头，该钻头由重量百分比为92%的碳化硅和8%的烧结助剂经混合、球磨、造粒、成型、干燥、修坯、烧成、精整而成。所述碳化硅的纯度为SiC=99.5%，其平均粒径为1μm；所述的烧结助剂为Al2O3，平均粒径为20μm。
其制造方法是：
1）混合：将所述的碳化硅和烧结助剂混合。
2）球磨：将配好的物料与直径3~10mm的氧化铝磨球混合，物料与氧化铝磨球的重量比为2∶1，在70转/分钟的转速下球磨4小时。
3）造粒：将球磨后的粉料干燥，然后过1mm筛造粒；
4）成型：将造好粒的粉体颗粒用钻头磨具压制成型，制成坯体；
5）干燥：将坯体在100℃干燥30小时。
6）修坯：用砂纸打磨坯体。
7）烧成：将修整好的坯体升温到1900℃烧结，烧结压力控制在5~30Mpa，真空度保持在30pa以下。
8）精整：烧结好的钻头打磨后，得到成品。

Claims (7)

1.一种碳化硅陶瓷高炉钻头，其特征在于：该钻头由重量百分比为88~99%的碳化硅和1~12%的烧结助剂经混合、球磨、造粒、成型、干燥、修坯、烧成、精整而成。
2.根据权利要求1所述的碳化硅陶瓷高炉钻头，其特征在于：所述的碳化硅为绿碳化硅，其纯度为SiC≥98%，其平均粒径为1~20μm。
3.根据权利要求1所述的碳化硅陶瓷高炉钻头，其特征在于：所述的烧结助剂为Al2O3、Y2O3、AlN中的一种或几种，平均粒径为1~20μm。
4.根据权利要求3所述的碳化硅陶瓷高炉钻头，其特征在于：所述的烧结助剂为Al2O3和Y2O3，所述的Al2O3与Y2O3的重量比为1∶1。
5.一种权利要求1所述的碳化硅陶瓷高炉钻头的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
1）混合：按重量百分比将88~99%的碳化硅和1~12%的烧结助剂混合均匀；
2）球磨：将混合均匀的物料与直径为3~10mm的氧化铝磨球混合，在转速为70~100转/分钟下球磨3~5小时，所述的物料与氧化铝磨球的重量比为0.5~2∶1；
3）造粒：将球磨后的粉料干燥，然后过0.1~1mm筛造粒；
4）成型：按钻头大小称取所造颗粒，倒入钻头磨具中压制成型，制成坯体；
5）干燥：将坯体在70~150℃干燥24~36小时；
6）修坯：用砂纸打磨坯体；
7）烧成：将修整好的坯体升温到1750~2000℃，在真空条件下烧结；
8）精整：烧结好的钻头经打磨后，得到成品。
6.根据权利要求5所述的碳化硅陶瓷高炉钻头的制造方法，其特征在于：所述步骤2）中，在转速为90~100转/分钟下球磨4~5小时。
7.根据权利要求5或6所述的碳化硅陶瓷高炉钻头的制造方法，其特征在于：所述步骤7）中，烧结压力控制在5~30Mpa，真空度保持在30pa以下。
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